<p>The thesis intends to explain in full detail the developed techniques and approaches for the modeling, design, and sensitivity analysis of nano-plasmoic structures. However, some examples are included for audiences of general microwave background. Although the thesis is mainly focused on simulation-based techniques, analytical and convex optimization approaches are also demonstrated. The thesis is organized into two parts. Part 1 includes Chapters 2-4, which cover the simulation-based modeling and sensitivity analysis approaches and their applications. Part 2 includes Chapters 5 and 6, which cover the analytical optimization approaches.</p> / <p>We propose novel techniques for modeling, adjoint sensitivity analysis, and optimization of photonic and nano-plasmonic devices. The scope of our work is generalized to cover microwave, terahertz and optical regimes. It contains original approaches developed for different categories of materials including dispersive and plasmonic materials. Artificial materials (metamaterials) are also investigated and modeled. The modeling technique exploits the time-domain transmission line modeling (TD-TLM) technique. Generalized adjoint variable method (AVM) techniques are developed for sensitivity analysis of the modeled devices. Although TLM-based, they can be generalized to other time-domain modeling techniques like finite difference time-domain method (FDTD) and time-domain finite element method (FEM).</p> <p>We propose to extend the application of TLM-based AVM to photonic devices. We develop memory efficient approaches that overcome the limitation of excessive memory requirement in TLM-based AVM. A memory reduction of 90% can be achieved without loss of accuracy and at a more efficient calculation procedure. The developed technique is applied to slot waveguide Bragg gratings and a challenging dielectric resonator antenna problem.</p> <p>We also introduce a novel sensitivity analysis approach for materials with dispersive constitutive parameters. To our knowledge, this is the first wide-band AVM approach that takes into consideration the dependence of material properties on the frequency. The approach can be utilized for design optimization of innovative nano-plasmonic structures. The design of engineered metamaterial is systematic and efficient. Beside working with engineered new designs, dispersive AVM can be utilized in bio-imaging applications. The sensitivity of the objective function with respect to dispersive material properties enables the exploitation of parameter and gradient based optimization for imaging in the terahertz and optical regimes. Material resonance interaction can be easily investigated by the provided sensitivity information.</p> <p>In addition to the developed techniques for simulation-based optimization, several analytical optimization algorithms are proposed to foster the parameter extraction and design optimization in terahertz and optical regimes. In terahertz time-domain spectroscopy, we have developed an efficient parameter based approach that utilizes the pre-known information about the material. The algorithm allows for the estimation of the optical properties of sample materials of unknown thicknesses. The approach has been developed based on physical analytical dispersive models. It has been applied with the Debye, Lorentz, Cole-Cole, and Drude model.</p> <p>Furthermore, we propose various algorithms for design optimization of coupled resonators. The proposed algorithms are utilized to transform a highly non-linear optimization problem into a linear one. They exploit an approximate transfer function of the coupled resonators that avoids negligible multiple reflections among them. The algorithms are successful for the optimization of very large-scale coupled microcavities (150 coupled ring resonators).</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

High step-down dc/dc converters are widely adopted in a variety of areas such as industrial, automotive, and telecommunication. The 48 V power delivery system becomes increasingly popular for powering high-current and low-voltage chips. The Series-Capacitor Buck (SCB) converter doubles the duty ratio and equalizes the current between the two phases. Hard switching has hindered efforts to reduce volume via increased switching frequency, although a monolithically integrated SCB converter has boosted current density. A Series-Resonator Buck (SRB) converter is realized by adding a resonant tank in series with the series capacitor Cs. All switches turn on at zero-voltage (ZVOn), and the low-side switches turn off at zero-current (ZCOff). The design of the SRB converter includes characterizing the design variables' impacts on the converter performances and designing low-loss resonant components as the series resonator. The Series-Resonator Buck converter belongs to the class of quasi-resonant converters. Its resonant frequency is higher than the switching frequency, and its waveforms are quasi-sinusoidal. This work develops a steady-state model of the SRB converter to calculate voltage gain, component peak voltages, and resonant inductor peak current. Each switching cycle is modeled based on the concept of generalized state-space averaging. The soft-switching condition of the high-side switches is derived. The ZVS condition depends on the normalized control variable and the load condition. The gain equation models the load-dependent characteristic and the peak gain boundary. The theoretical peak voltage gain of the SRB converter is smaller than the maximum gain of the SCB converter. A smaller normalized load condition results in a larger peak voltage gain of the SRB converter. The large-signal model of the SRB converter characterizes the low-frequency behavior of the low-pass filters with the series capacitor and the high-frequency behavior of the resonant elements. A design recommendation of t_off f_r<0.5 is suggested to avoid the oscillation between the series capacitor Cs and the output inductors Lo. In other words, the off-duration of the low-side switches is less than half of 1/fr, and therefore the negative damping effect from the parallel resonant tank to the vCs response is reduced. The transfer functions of the SRB converter are presented and compared with those of the SCB converter. The series resonator brings in an extra damping effect to the response of output capacitor voltage. The understanding of the analytical relationships among the resonant tank energy, voltage gain, and component stresses was utilized to guide the converter design of the converter's parameters. A normalized load condition at √2 minimizes the stresses of the series resonator by balancing the peak energy in the resonant elements Lr and Cr. The f_s variation with voltage gain M is less than 10%. The non-resonant components C_s, L_oa, and L_ob are designed according to the specified switching ripples. The ac winding loss complicates the winding design of a resonant inductor. This work replaces the rectangular window with a rhombic window to reduce the eddy current loss caused by the fringing effect. The window ratio k_y is added as a design variable. The impacts of the design variables on the inductance, core loss, and winding loss are discussed. The air-gap length l_g is designed to control the inductance. A larger k_y design results in a short inductor length l_c and a smaller winding loss. The disadvantages include a smaller energy density design and a larger core loss due to the smaller cross-sectional area. In the design example presented in the thesis, the presence of the rhombic shape increases the gap-to-winding distance by two times, and also reduces the y-component of the magnetic field by a factor of two. The total inductor loss is reduced by 56% compared to a conventional design with a rectangular winding window while keeping the same inductance and the same inductor volume. This dissertation implements a resonator, replacing the series capacitor, in an SCB converter. The resultant SRB converter shows a 30% reduction in loss and a 50% increase in power density. The root cause of the divergence issue is identified by modeling the negative damping effect caused by resonant elements. The presented transient design guideline clears the barriers to closed-loop regulation and commercialization of the SRB converter. This work also reshapes winding windows from rectangle to rhombus which is a low-cost change that reduces magnetic loss by half. The theoretical analysis and design procedures are demonstrated in a 200 W prototype with 7% peak efficiency increase compared to the commonly used 30 W commercial SCB product. / Doctor of Philosophy / High step-down dc/dc converters are widely adopted in a variety of areas such as industrial, automotive, and telecommunication areas. The 48 V power delivery system becomes increasingly popular for powering high-current and low-voltage chips. The Series-Capacitor Buck (SCB) converter doubles the duty ratio and equalizes the current between the two phases. Hard switching has hindered efforts to reduce volume via increased switching frequency although a monolithically integrated SCB converter has boosted current density. A Series-Resonator Buck (SRB) converter is realized by adding a resonant tank in series with the series capacitor Cs. All switches turn on at zero-voltage (ZVOn), and the low-side switches turn off at zero-current (ZCOff). The challenges to designing the SRB converter include characterizing the design variables' impacts on the converter performances and designing low-loss resonant components as the series resonator. The resultant SRB converter shows a 30% reduction in loss and a 50% increase in power density. The root cause of the divergence issue is identified by modeling the negative damping effect caused by the resonant elements. The presented transient design guideline clears the barriers of closed-loop regulation and commercialization of the SRB converter. This work also reshapes winding windows from rectangle to rhombus, which is a low-cost change that reduces magnetic loss by half. The theoretical analysis and design procedures are demonstrated in a 200 W prototype with 7% peak efficiency increase compared to the commonly used 30 W commercial SCB product.

The Theory of Characteristic Modes is being adopted by many research groups around the world in the last decade. This topic and their use in different metallic antenna design is growing very fast. However, most of the applications has been only concentrated on conducting surfaces without any physical knowledge about its limitations and its physical interpretation. As far as dielectric bodies are concerned, there have not been so many published articles. The reason is that there are different integro-differential formulations and the interpretation of their solutions is not as obvious as in conducting bodies. Here, a theoretical interpretation considering loss-less conducting and dielectric bodies is presented. The conclusions drawn in this thesis will allow us to better understand the solutions of the Theory of Characteristic Modes and their limitations. This is important for antenna engineering. In addition, this analysis will allow to develop a novel method for the design of antennas based on dielectric resonators, DRA. This method is called Substructure based-PMCHWT method, and is based on the implementation of the Schur complements of the method of moments matrix operator. This study permits to optimize the radiation bandwidth in the same analysis process for both, the dielectric and the feed, e.g. slot. Moreover, it allows to understand how the slot behaves in the presence of the dielectric resonator and vice versa. This method can also be used to design DRA using low permittivities. This is important in the design of DRA because the feed perturbs the system and produces a shift in the resonances of the characteristic modes. So, therefore, by considering the feed system in the characteristic modes analysis a more realistic results than a conventional analysis is obtained. On the other hand, the resonances of the characteristic modes at low permittivities are displaced from what are the natural resonances of the dielectric resonator and also the corresponding S11 resonance. Thus, designing with this new method it can draw new conclusions about the design of DRA using the Theory of Characteristic Modes. / En la última década, la teoría de los modos característicos está siendo utilizada por muchos grupos de investigación en todo el mundo. Este tema y su uso en diferentes diseños de antenas metálicas está creciendo muy rápido. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones se han concentrado únicamente en antenas metálicas sin ningún conocimiento físico acerca de sus limitaciones y su interpretación física. En lo que se refiere a cuerpos dieléctricos, no han habido tantos artículos publicados como en metales. La razón es que existen diferentes formulaciones integro-diferenciales y la interpretación de sus soluciones no es tan obvia como en cuerpos metálicos. En esta tesis se presenta una interpretación física de las soluciones de la Teoría de Modos Característicos al considerar cuerpos metálicos y dieléctricos sin pérdidas. Las conclusiones de esta tesis nos permitirán comprender mejor las soluciones de la Teoría de Modos Característicos y sus limitaciones. Esto es importante en ingeniería de antenas. Además, este análisis permitirá desarrollar un nuevo método para el diseño de antenas basadas en resonadores dieléctricos, DRA. Este método está basado en la formulación PMCHWT y la función de Green multicapa utilizada en el método de los momentos (MoM). A este nuevo método se le ha denominado "Substructure Characteristic Mode method", y está basado en la implementación de los complementos Schur sobre las submatrices del operador del MoM. Este estudio permite optimizar el ancho de banda de radiación de un DRA en el mismo proceso de análisis tanto para el dieléctrico como para la alimentación, como por ejemplo una ranura. Además, este método permite comprender como se comporta la ranura en presencia del resonador dieléctrico y viceversa. Este método también puede usarse para diseñar DRA usando permitividades bajas. Esto es importante en el diseño de DRA porque la alimentación perturba el sistema y produce un cambio en las resonancias de los modos característicos. Por lo tanto, al considerar la alimentación en el análisis de modos característicos se obtienen resultados más realistas comparándolos con los obtenidos mediante un análisis convencional. Así, diseñando con el "Substructure Characteristic Mode method" se pueden extraer nuevas conclusiones sobre el diseño de DRA mediante la Teoría de Modos Característicos. / En l'última dècada, la teoria dels modes característics està sent utilitzada per molts grups d'investigació en tot el món. Este tema i el seu ús en diferents dissenys d'antenes metàl·liques està creixent molt ràpid. No obstant això, la majoria de les aplicacions s'han concentrat únicament en superfícies conductores sense cap coneixement físic sobre les seues limitacions i la seua interpretació física. Pel que fa a cossos dielèctrics, no hi ha hagut tants articles publicats com en metalls. La raó és que hi ha diferents formulacions integro- diferencials i la interpretació de les seues solucions no és tan òbvia com en cossos conductors. En esta tesi es presenta una interpretació teòrica considerant cossos conductors i dielèctrics sense pèrdues. Les conclusions d'esta tesi ens permetran comprendre millor les solucions de la Teoria de Modes Característics i les seues limitacions. Açò és important en enginyeria d'antenes. Açò és important en enginyeria d'antenes. A més, esta anàlisi permetrà desenrotllar un nou mètode per al disseny d'antenes basades en ressonadors dielèctrics, DRA. Este mètode està basat en la formulació PMCHWT i la funció de Green multicapa utilitzada en el mètode dels moments (MoM) . A este nou mètode se li ha denominat "Substructure Characteristic Mode method", i està basat en la implementació dels complements Schur sobre les submatrius de l'operador del MoM. Este estudi permet optimitzar l'amplada de banda de radiació d'un DRA en el mateix procés d'anàlisi tant per al dielèctric com per a l'alimentació, com per exemple una ranura. A més, este mètode permet comprendre com es comporta la ranura en presència del ressonador dielèctric i viceversa. Este mètode també pot usar-se per a dissenyar DRA usant baixes permitivitats. Açò és important en el disseny de DRA perquè l'alimentació pertorba el sistema i produïx un canvi en les ressonàncies dels modes característics. Per tant, al considerar l'alimentació en l'anàlisi de modes característics s'obtenen resultats més realistes comparant-los amb els obtinguts per mitjà d'una anàlisi convencional. Així, dissenyant amb el "Substructure Characteristic Mode method" es poden extraure noves conclusions sobre el disseny de DRA per mitjà de la Teoria de Modes Característics. / Bernabeu Jiménez, T. (2017). Contribution to the physical interpretation of characteristic mode resonances. Application to dielectric resonator antennas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86177

No / A new dual-log spiral geometry is proposed for microstrip resonators, offering substantial advantages in performance and size reduction at subgigahertz frequencies when realized in superconducting materials. The spiral is logarithmic in line spacing and width such that the width of the spiral line increases smoothly with the increase of the current density, reaching its maximum where the current density is maximum (in its center for ¿/2 resonators). Preliminary results of such a logarithmic ten-turn (2 × 5 turns) spiral, realized with double-sided YBCO thin film, showed a Q.-factor seven times higher than that of a single ten-turn uniform spiral made of YBCO thin film and 64 times higher than a copper counterpart. The insertion loss of the YBCO dual log-spiral has a high degree of independence of the input power in comparison with a uniform Archimedian spiral, increasing by only 2.5% for a 30-dBm increase of the input power, compared with nearly 31% for the uniform spiral. A simple approximate method, developed for prediction of the resonant frequency of the new resonators, shows a good agreement with the test results.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von optischen Absolutfrequenzreferenzen basierend auf rovibronischen Übergängen in molekularen Jod. Dabei werden Methoden der Doppler-freien Sättigungsspektroskopie angewendet, um einzelne Übergänge der Hyperfeinstruktur mit Linienbreiten unterhalb von 1 MHz im B-X System von molekularem Iod bei 532 nm, der zweiten harmonischen des Nd:YAG-Laser, aufzulösen. Elektronische Regelungstechniken ermöglichen eine präzise Stabilisierung der optischen Frequenz auf die Linienmitte der Übergänge mit einer Auflösung von Teilen in 10^5. Mit dem Ziel einer weltraumtauglichen Absolutfrequenzreferenz für zukünftige Weltraummissionen, wurden zwei Spektroskopiemodule konzipiert und in quasi-monolithischen Glaskeramik-Aufbauten, als sogenanntes elegant breadboard model und engineering model, realisiert. Diese Jodfrequenzreferenzen wurden im Detail in Bezug auf ihre Frequenzstabilität und Reproduzierbarkeit untersucht und Letzteres wurde für die angestrebte Weltraumqualifizierung ersten Umwelttests, sowohl vibrations- als auch thermischen Belastungstests, unterzogen. Für die Untersuchung der Frequenzstabilität dieser Jodreferenzen wurde ein auf einen optischen Resonator hoher Güte stabilisiertes Lasersystem für direkte Frequenzvergleiche bei 1064 nm realisiert. Die Analyse der Frequenzstabilität der Jod Referenzen zeigt eine Frequenzstabilität von 6x10^−15 bei 1 s, und weniger als 2x10^−15 bei 100 s Integrationszeit, was der bis heute besten veröffentlichten Frequenzstabilität entspricht die mit Jod Referenzen erreicht wurde. Mit der erreichten Frequenzstabilität ermöglichen diese Absolutfrequenzreferenzen präzise Lasersysteme für zukünftige Weltraummissionen wie z.B. zur Detektion von Gravitationswellen, zur Vermessung des Gravitationsfelds der Erde oder für Präzisionstest fundamentaler Theorien der Physik. / This thesis deals with the development and investigation of optical absolute frequency references based on rovibronic transitions in molecular iodine. Doppler-free saturation spectroscopy methods are employed to resolve individual transitions of the hyperfine structure with linewidths below 1 MHz in the B-X system of molecular iodine at 532 nm with the second harmonic of Nd:YAG lasers. Electronic feedback control systems are employed for laser frequency stabilization to the line center of the optical transitions with a line splitting of 10^5. With the goal of a space qualified optical absolute frequency reference for future laser-interferometric space missions, two spectroscopy setups were designed and realized in quasi-monolithic, glass-ceramic setups as so called elegant bread board model and engineering model. These iodine references were characterized in detail with respect to their frequency stability and reproducibility and the engineering model was subject to environmental tests, including vibrations and thermal cycling to verify its applicability in future space missions. For the investigation of the frequency instability of these iodine references, a frequency stabilized laser system was realized based on a temperature controlled high Finesse ULE cavity for direct frequency comparisons at 1064 nm. Analysis of the frequency stability of the iodine references revealed exceptionally low fractional frequency instability of 6x10^−15 at 1 s, averaging down to less than 2×10^−15 at 100 s integration time, constituting the best reported stability achieved with iodine references to date. With the demonstrated performance, these absolute frequency references enable precision laser systems required for future space missions that are dedicated to, e.g., the detection of gravitational waves, mapping of the Earth’s gravitational field or precision test of fundamental physics.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung und optische Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen, genauer Mikrokavitäten, in denen ein Bose–Einstein Kondensat (BEK) von sogenannten Exziton-Polaritonen im Festkörper erzeugt und beobachtet werden soll. Diese Strukturen bestehen aus zwei hochreflektierenden Braggspiegeln (BS) und einer ZnO-Kavität als aktivem Material. Zunächst wurde die Abscheidung der BS hinsichtlich genauer Schichtdickenkontrolle und Reproduzierbarkeit verbessert. Um Kavitätsschichten hinreichender Qualität herzustellen, wurden mehrere Ansätze zur Optimierung dieser planaren Schichtabscheidung mittels gepulster Laserdeposition verfolgt. Dabei kamen Techniken, wie das Ausheizen der Proben oder deren Glättung durch Ionenstrahlbeschuß zum Einsatz, um die elektronischen Eigenschaften bzw. die Oberflächen der Kavitätsschichten erheblich zu verbessern. Desweiteren wurde erfolgreich ein Verfahren entwickelt, freistehende, nahezu einkristalline ZnO-Nanodrähte mit Braggspiegeln zu ummanteln. Alle hergestellten Strukturen wurden in ihren strukturellen Eigenschaften, speziell hinsichtlich ihrer Rauhigkeit und Kristallinität, verglichen und mittels orts- und/oder winkelaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie sowie Reflexionsmessungen bezüglich ihrer optischen Eigenschaften untersucht. Dabei konnte in fast allen Proben die starke Kopplung, welche die Grundlage für ein BEK darstellt, gezeigt werden. Hinweise für eine höhere Kopplungsstärke in den Nanodraht-basierten Mikrokavitäten wurden gefunden. Der Nachweis von BEK bis nahe Raumtemperatur gelang an der vielversprechendsten planaren Probe, die einen Qualitätsfaktor von ca. 1000 aufweist. Die Eigenschaften des BEK wurden für verschiedene Temperaturen und Detunings untersucht. Es hat sich gezeigt, daß ein negatives Detuning unerläßlich für die Bildung eines BEK in ZnO-basierten Mikrokavitäten ist. Die Impulsraumverteilung der Kondensat-Polaritonen läßt auf ausgeprägte dynamische Eigenschaften dieser Teilchen bei tiefen Temperaturen schließen. / The present work covers the fabrication and optical investigation of semiconductor microcavities for Bose–Einstein condensation (BEC) of exciton-polaritons. These microcavities consist of highly reflective distributed Bragg reflectors (DBR) surrounding a ZnO-cavity as active medium. In the first step, the growth of DBRs was optimised with respect to exact thickness control and high reproducibility. For the active material, several growth strategies have been pursued, in order to optimise the conditions for the growth of planar thin films by pulsed laser deposition. Techniques like annealing or ion beam smoothing were successfuly applied in order to either improve the electronic properties or decrease the roughness of the ZnO-cavity layer. Furthermmore, a successful technology was developed in order to coat highly-crstalline free-standing ZnO nanowires with concentrical DBR shells. All samples have been investigated regarding their roughness and crystallinity as well as their optical properties. For the latter spatially and/or angular-resolved photoluminescence spectroscopy and reflection measurements have been carried out. Thereby, the strong coupling regime – being prerequisite for BEC – could be demonstrated in almost all of the synthesized structures. For the nanowire-based microcavities hints for an enhanced coupling strength have been found. In one of the planar samples, showing the high quality factor of 1000, the formation of BEC almost up to room temperature was observed and was studied as a function of temperature and detuning. Negative detuning was found to be mandatory for the formation of a BEC in ZnO-based microcavities. The distinct momentum- respective in-plane wavevector distribution of the condensate polaritons revealed a strong dynamic character of these particles at low temperatures.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Dispersion von Exziton-Polaritonen in ZnO-basierten Mikroresonatoren, welche zum einen theoretisch bezüglich der Eigenschaften der reinen Kavitätsmoden und zum anderen experimentell mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und Reflektionsmessungen untersucht wurden. Dabei wird besonders auf die Rolle der linearen Polarisation sowie auf die Besetzung der Exziton-Polaritonen-Zustände eingegangen. Dies ist von Interesse, da diese Mikroresonatoren vielversprechende Kandidaten für die Realisierung eines Exziton-Polariton Kondensates sind, welches ähnliche Eigenschaften wie das klassische Bose-Einstein Kondensat besitzt. Die Eigenschaften der Exzitonen-Polaritonen werden durch die der beteiligten ungekoppelten Exzitonen und Photonen bestimmt. Im Falle der Photonen hängen diese stark von der linearen Polarisation ab, da es sich bei der ZnO-Kavität um ein optisch anisotropes Material handelt. Mittels einer entwickelten Näherung für die Berechnung der Kavitätsmoden, welche die optische Anisotropie der Kavität sowie die endliche Ausdehnung der Spiegel berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass im Falle der hier verwendeten ZnO-Kavität die optische Anisotropie zu einer Reduktion der Energieaufspaltung zw. der s- und p-polarisierten Mode im sichtbaren Spektralbereich führt. Der allgemeine Fall einer optisch anisotropen Kavität wird ebenfalls diskutiert. In den untersuchten ZnO-basierten Mikroresonatoren konnte eine starke Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Photonen bis zu einer Temperatur von T = 410 K beobachten werden. Dabei wurde eine maximale Kopplungsstärke von 55 meV bei T = 10 K ermittelt. Anhand des beobachteten Verlaufs der Dispersion der Exziton-Polaritonen konnten in einem Mikroresonator Hinweise für eine zusätzliche Kopplung zwischen gebundenen Exzitonen und Photonen gefunden werden. Des Weiteren zeigte die Dispersion der Exziton-Polaritonen eine starke Polarisationsabhängigkeit. Eine maximale Energieaufspaltung des unteren Zweiges für die beiden linearen Polarisationen von 6 meV bei einem starken negativen Detuning von -70 meV wurde beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese hohe Energieaufspaltung einen großen Einfluss auf die Besetzung der Zustände der Exziton-Polaritonzweige hat. Unter Verwendung verschiedener Anregungsleistungen und einer keilartigen Kavität wurde der Einfluss des Detunings systematisch auf die Besetzung der Exziton-Polaritonzustände untersucht und diskutiert. Es konnte eine Voraussage für den optimalen Detuning – Temperaturbereich für eine mögliche Kondensation getroffen werden. Erste Beobachtungen eines Kondensates in einem der Resonatoren bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit.

By implementing the rolled-up microfabrication method based on strain engineering, several systems are investigated within the contents of this thesis. The structural morphing of planar geometries into three-dimensional structures opens up many doors for the creation of unique material configurations and devices. An exploration into several novel microsystems, encompassing various scientific subjects, is made and methods for on-chip integration of these devices are presented. The roll-up of a metal and oxide allows for a cylindrical hollow-core structure with a cladding layer composed of a multilayer stack, plasmonic metamaterial. This structure can be used as a platform for a number of optical metamaterial devices. By guiding light radially through this structure, a theoretical investigation into the system makeup of a rolled-up hyperlens, is given. Using the same design, but rather propagating light parallel to the cylinder, a novel device known as a metamaterial optical fiber is defined. This fiber allows light to be guided classically and plasmonically within a single device. These fibers are developed experimentally and are integrated into preexisting on-chip structures and characterized. A system known as lab-in-a-tube is introduced. The idea of lab-in-a-tube combines various rolled-up components into a single all-encompassing biosensor that can be used to detect and monitor single bio-organisms. The first device specifically tailored to this system is developed, flexible split-wall microtube resonator sensors. A method for the capturing of embryonic mouse cells into on-chip optical resonators is introduced. The sensor can optically detect, via photoluminescence, living cells confined within the resonator through the compression and expansion of a nanogap built within its walls. The rolled-up fabrication method is not limited to the well-investigated systems based on the roll-up from semiconductor material or from a photoresist layer. A new approach, relying on the delamination of polymers, is presented. This offers never-before-realized microscale structures and configurations. This includes novel magnetic configurations and flexible fluidic sensors which can be designed for on-chip and roving detector applications.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Dispersion von Exziton-Polaritonen in ZnO-basierten Mikroresonatoren, welche zum einen theoretisch bezüglich der Eigenschaften der reinen Kavitätsmoden und zum anderen experimentell mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und Reflektionsmessungen untersucht wurden. Dabei wird besonders auf die Rolle der linearen Polarisation sowie auf die Besetzung der Exziton-Polaritonen-Zustände eingegangen. Dies ist von Interesse, da diese Mikroresonatoren vielversprechende Kandidaten für die Realisierung eines Exziton-Polariton Kondensates sind, welches ähnliche Eigenschaften wie das klassische Bose-Einstein Kondensat besitzt. Die Eigenschaften der Exzitonen-Polaritonen werden durch die der beteiligten ungekoppelten Exzitonen und Photonen bestimmt. Im Falle der Photonen hängen diese stark von der linearen Polarisation ab, da es sich bei der ZnO-Kavität um ein optisch anisotropes Material handelt. Mittels einer entwickelten Näherung für die Berechnung der Kavitätsmoden, welche die optische Anisotropie der Kavität sowie die endliche Ausdehnung der Spiegel berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass im Falle der hier verwendeten ZnO-Kavität die optische Anisotropie zu einer Reduktion der Energieaufspaltung zw. der s- und p-polarisierten Mode im sichtbaren Spektralbereich führt. Der allgemeine Fall einer optisch anisotropen Kavität wird ebenfalls diskutiert. In den untersuchten ZnO-basierten Mikroresonatoren konnte eine starke Wechselwirkung zwischen Exzitonen und Photonen bis zu einer Temperatur von T = 410 K beobachten werden. Dabei wurde eine maximale Kopplungsstärke von 55 meV bei T = 10 K ermittelt. Anhand des beobachteten Verlaufs der Dispersion der Exziton-Polaritonen konnten in einem Mikroresonator Hinweise für eine zusätzliche Kopplung zwischen gebundenen Exzitonen und Photonen gefunden werden. Des Weiteren zeigte die Dispersion der Exziton-Polaritonen eine starke Polarisationsabhängigkeit. Eine maximale Energieaufspaltung des unteren Zweiges für die beiden linearen Polarisationen von 6 meV bei einem starken negativen Detuning von -70 meV wurde beobachtet. Es wird gezeigt, dass diese hohe Energieaufspaltung einen großen Einfluss auf die Besetzung der Zustände der Exziton-Polaritonzweige hat. Unter Verwendung verschiedener Anregungsleistungen und einer keilartigen Kavität wurde der Einfluss des Detunings systematisch auf die Besetzung der Exziton-Polaritonzustände untersucht und diskutiert. Es konnte eine Voraussage für den optimalen Detuning – Temperaturbereich für eine mögliche Kondensation getroffen werden. Erste Beobachtungen eines Kondensates in einem der Resonatoren bestätigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit.